Problema — Bilancio energetico di un motore

Bilancio del motore. Spiega il bilancio energetico di un'auto a velocità costante in pianura: dove va a finire l'energia chimica del carburante? Indica almeno tre canali di dissipazione.

Soluzione

Punto di partenza: velocità costante. In pianura a velocità costante l’auto non accelera e non cambia quota, quindi

$\Delta E_k = 0 \qquad \Delta E_p = 0$

Nessuna energia si accumula come moto o come quota: tutta l’energia chimica del carburante finisce, prima o poi, dispersa nell’ambiente come calore. Il bilancio dice come si ripartisce.

I canali (valori tipici di un motore a combustione):

1. Calore diretto del motore ($\sim 60$–$70\%$). La combustione è un processo termico a rendimento limitato: gran parte dell’energia esce come calore nei gas di scarico e nel liquido di raffreddamento. È la voce dominante.
2. Lavoro meccanico utile ($\sim 25$–$30\%$). Muove l’auto, ma a velocità costante serve solo a vincere le resistenze: attrito volvente delle gomme e, soprattutto, resistenza dell’aria (che cresce con $v^2$). Anche questo lavoro diventa quindi calore nell’ambiente.
3. Accessori ($\sim 5\%$). Alternatore, climatizzatore, pompe, elettronica. Ancora energia che termina come calore.

Sintesi del bilancio:

$\ev{E_\text{chimica} \to \underbrace{Q_\text{motore}}_{\sim 65\%} + \underbrace{W_\text{meccanico}}_{\sim 27\%} + \underbrace{E_\text{accessori}}_{\sim 5\%} \ \to\ \text{tutto calore}}$

Lettura fisica. A regime l’auto è una macchina che converte energia chimica in calore ambientale, passando per una piccola frazione di lavoro meccanico che serve solo a mantenere il moto contro gli attriti. Il rendimento complessivo basso ($\sim 25\%$) è una conseguenza del secondo principio, non un difetto costruttivo.

Collegamenti

Argomenti: Lavoro ed energia Concetti: Energia termica da attrito Competenze: Bilancio energetico a bolle